基于非晶納米晶磁芯的EMI濾波器應用技術研究

康弘俊，彭 麟，唐 志

(成都新欣神風電子科技有限公司，四川 成都 611743)

0 引 言

高頻開關電源具有能夠實現小型化、效率高、功率密度高、性能穩定等優點，被廣泛應用于工控、醫療、航空航天等多個領域。但高頻開關電源同時帶來的開關頻率及其他信號的電磁輻射和泄漏對其他電氣電子設備的正常工作帶來嚴重干擾。針對這些問題，為了減小電氣電子設備間的相互干擾，世界各國都制定了各自的電磁兼容標準，以利于設備相互間的工作協調，營造良好的電磁工作環境。這些標準包括國際電工委員會的IEC61000及CISPR系列標準、美國聯邦通信委員會的FCC系列標準、歐共體的EN系列標準、北美標準等。我國現行的GB/T6113系列、17626系列及相關國軍標的電磁兼容標準主要是參照CISPR、IEC61000修訂的[1-2]。隨著大電流、高功率、小型化的應用，由于傳統磁性材料的自身性能、使用范圍、性價比等因素的影響，傳統的電磁干擾(EMI，Electro-Magnetic Interference)濾波器的設計已經不能同時滿足小型化、高性能濾波的需求。隨著納米技術的發展，磁性非晶納米材料具備優異的磁學性能和獨特的結構，具有很大的發展潛力。非晶納米晶材料具有與常規材料不同的優異性能，不斷探求新材料的特性，在新型EMI濾波器的設計中進行應用以提升性能[3]。

1 非晶納米晶磁芯材料的特性

非晶軟磁材料和納米晶軟磁材料是近年發展起來的新型軟磁材料。采用非晶和納米微晶金屬軟磁材料與聚合物復合制備出新型的磁性高分子材料，這類新材料既具有非晶和納米晶金屬軟磁材料優異的磁性能，也具有高磁感應強度、高磁導率、低鐵芯損耗和高頻特性好等優點。另外，非晶納米晶軟磁材料具有高分子材料易于加工、尺寸精度高、可加工成各種復雜的形狀等優點。非晶納米晶軟磁磁芯，具有居里溫度高、高頻特性好等優點，綜合磁電特性比鐵氧體、硅鋼和坡莫合金等常規軟磁材料更高的性能價格比。非晶態軟磁合金材料具有極為優異的軟磁性能和良好的巨磁阻抗效應(Giant magneto-impedance effect，簡稱 GMI effect)，特別適合于電感和變壓器產品的小型化、高頻化和高效化設計，具有良好的發展前景。含有鐵磁性成分的非晶態合金(如Fe基、Co基和FeNi基非晶合金等)由于結構上的無序性，具有比晶態軟磁合金更為優異的軟磁性能。另外，非晶態合金中不存在磁化阻礙，因此，非晶軟磁合金對磁場極為敏感，體現為具有較高的磁導率，這是具有理想的GMI效應的必要條件[4-5]。

與Mn-Zn、坡莫合金等這些軟磁材料比較，Co基非晶合金材料的磁導率還是明顯高于Fe基納米晶材料，但制備難度大。Fe基非晶合金材料的磁導率相對較低，但對其進行簡單的退火工藝處理后得到的Fe基納米晶材料性能即可大幅提升，不僅具有高的磁導率，還具有高的飽和磁化強度[4-6]，如圖1所示。

綜上分析，基于Fe基非晶納米晶軟磁合金的優異軟磁性能具有較為理想的GMI效應，這使得Fe基軟磁合金成為目前最基礎的GMI材料[4，7]。相對于Co基非晶材料，Fe基非晶材料的GMI效應不是很顯著，因此Fe基非晶材料在GMI研究中的應用受到一定的限制[4，7]。但是，Fe基非晶材料的制備成本具有明顯的優勢，因此在新型EMI濾波器設計中，本文采用了Fe基非晶納米晶材料的磁環進行共模電感和差模電感的設計。

圖1 常用軟磁材料的有效磁導率與飽和磁化強度的關系圖

2 非晶納米晶磁環電感的設計

磁環的幾個重要特性參數包括飽和磁感應強度、初始磁導率、居里溫度等。其中飽和磁感應強度(飽和磁通密度)Bs是指磁性體被磁環到飽和狀態時的磁感應強度。在選擇磁性材料時，主要考慮的參數是初始磁導率μi。初始磁導率μi是磁性體在磁中性狀態下的磁導率的極限值。在實際應用中，通常把μi作為磁性材料的基本參數，對于磁導率主要關心的是有效磁導率μe、振幅磁導率μa或最大磁導率μm等參數，通常μi高的材料，其μe、μa、μm也較高。居里溫度是鐵磁性材料由鐵磁狀態轉變為順磁狀態的臨界溫度。居里溫度是衡量磁性材料溫度特性的主要指標，當溫度超過磁性材料的居里溫度時，初始磁導率μi急劇下降，磁性材料轉變為非磁性材料。鐵基納米晶合金的居里溫度可達550℃，遠高于MnZn鐵氧體和Co基非晶材料。鑒于制成電感的其他材料如漆包線的耐熱溫度一般不超過150℃，因此Fe基非晶材料的磁環在使用溫度范圍內可保證性能穩定。在選擇合適的磁性材料前，必須確定電感器的磁粉芯不被磁飽和。

共模電感是抑制共模干擾信號的主要工具。共模電感采用鐵基非晶材料的微晶化磁芯。它具有高的μi(>60 000)和AL值，高的插入損耗，高飽和磁感(1.20 T)，抗強電流脈沖干擾能力強，有利于小型化，低剩磁(Br<0.2 T)，可以經受漏電和不平衡偏置電流的工作條件，如圖3中的L1、L2所示。

差模電感采用鐵基納米晶材料的低剩磁磁芯。其他如鐵粉芯磁芯等發熱量大，磁損耗高，會導致產品嚴重的溫升問題，設計中采用線路平衡對稱放置，如圖3中的L3、L4所示。

本設計的共模電感和差模電感均選用環形磁芯。因為環型的結構能充分利用磁芯材料的磁性能，環型磁芯可以獲得最高的相對磁導率、最低的損耗、最小的體積。而且環型磁心的漏磁最小，對外界的磁影響也最小[7]。選用磁性參數如表1、表2所示。

(1)共模電感選用磁芯尺寸及特性參數如表1所示。

表1 共模電感磁芯尺寸及特性參數

(2)差模電感選用磁芯尺寸及特性參數如表2所示。

電感設計中需要考慮承受的最大電流，及相應的發熱情況。引起電感發熱的因素，除了磁芯材料之外，還必須考慮漆包線線徑(截面積)。根據漆包線國標總規范行業通行的規則，參照IEC60317特種繞組線產品標準進行選型，凡有溫升(ΔT)控制要求(通常默認為ΔT≥20℃)的產品，漆包線線徑的經驗選擇應確保其直流載流量不大于8 A/mm2左右；交流載流量不大于6 A/mm2左右，本YYGY 選擇Φ0.56 mm的漆包線進行繞制。磁環外形如圖2所示。

圖2 磁環外形圖

根據仿真，設計共模電感電感量為3 mH，差模電感電感量為30 μH，根據磁芯電感量的估算公式，共模電感進行12匝的繞制，差模電感進行20匝的繞制，完成繞制后，用LCR數字電橋檢測電感量，基本符合設計預期。如果偏差較大，可對線圈進行適當的增減匝數。

圖2中，ID：磁芯內徑(mm)；OD：磁芯外徑(mm)；Ht：磁芯高度(mm)。

Ae：有效磁粉芯面積(cm2)，即磁環的磁芯的橫截面積；

Le：有效磁路長度或稱平均磁路長度；

3 EMI濾波器的實現

本文研究的EMI濾波器產品設計尺寸僅為60 mm×30 mm×12 mm，由于尺寸有限，因此采用分立元件方式實現， 電感和電容是構成EMI濾波器的主要元器件。共模電感和差模電感設計完成后，本次設計的直流EMI濾波器中共模電容和差模電容采用金屬化聚酯膜直流電容器。濾波器原理圖如圖3所示，實物圖如圖4所示。

圖3 濾波器原理圖

圖4 濾波器實物圖

濾波器的最小插入損耗滿足仿真設計要求，如圖5所示。

圖5 濾波器

針對EMI濾波器在環境試驗中發現存在性能參數變化和不一致的現象，將會導致產品批量化生產困難，因此進一步進行了帶護殼的環形磁芯和噴涂磁芯的對比分析及試驗。噴涂磁芯具有更大的繞線窗口，且磁芯機械強度增強，受拉力后電感量無明顯變化。噴涂磁芯涂層美觀，耐磨損，粗糙度和厚度均可得到保證。采用的涂覆材料符合Rohs、UL等國內外環保阻燃認證。兩種相同特性磁環(一種采用帶護殼工藝、一種采用噴涂工藝)使用相同直徑Φ0.56 mm高溫漆包線繞制而成的電感在各項試驗后的電感量如圖6所示。

圖6 電感量對比圖

由圖6可知，帶護殼磁環所繞制電感的電感量在試驗過程中變化相對凌亂，噴涂磁環所繞制電感的電感量變化趨勢一致，且指標更穩定。

對于機載等嚴酷環境的應用條件下，要求時間穩定性高和溫度重復性好。因此，需要在產品的溫度范圍內進行多次溫度循環，必須釋放磁芯繞線的線繞應力，然后對電感量進行微調。通過試驗驗證表明，噴涂磁芯對于應力不敏感，帶護殼的環形磁芯經過應力釋放后逐漸趨于穩定。

4 結束語

基于非晶納米晶材料的EMI濾波器突破了傳統材料的EMI濾波器性能，可實現小型化和高性能的應用需求。隨著新型材料的不斷面世以及磁芯帶材制備工藝的突破，我們需要持續跟進新材料的應用，持續研究進一步提升產品的性能。